复合材料加筋板结构的二级协同优化设计方法

针对复合材料加筋板结构的布局和铺层优化问题,发展了一种二级优化设计技术。第一级采用基于近似模型技术的布局优化方法,以筋条形式、个数、截面形状和铺层厚度作为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,实现加筋板结构布局形式和截面尺寸的布局优化;第二级借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,考虑层合板的制造和工艺约束,以层合板的各铺层角作为设计变量,以层合板弯曲刚度系数与上一级优化所给最优弯曲刚度系数之间的误差最小为目标,实现了复合材料加筋板在固定铺层层数下的铺层顺序优化;在二级优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化。算例表明:采用二级优化设计方法,可以很好地实现复合材料加筋板的布局优化设计。     

复合材料加筋壁板的结构布局优化设计

一个二级优化设计方法被用于复合材料加筋壁板的结构布局优化设计。第一级对加筋壁板的主要截面尺寸进行优化,着重把筋条间距作为设计变量,其中讨论了各设计变量与结构稳定性之间的关系,以及结构质量与结构稳定性和刚度之间的关系。第二级以提高结构的屈曲因子为目标函数,采用遗传算法进行固定铺层数下的铺层顺序优化。在优化的过程中,应用软件MSC.Patran/Nastran进行具体的结构有限元分析,保证计算的准确性,同时也考虑了设计规则和生产工艺等方面对复合材料结构的要求。计算结果表明,采用二级优化设计的方法是可行的。     

复合材料开口加筋壁板承载性能分析

为研究复合材料开口加筋壁板承载能力和失效模式,设计实施了壁板压缩试验,并基于复合材料层合板剪切理论和金属塑性硬化理论建立了复合材料开口加筋壁板有限元模型,研究了边界条件对壁板承载能力的影响,提出在加载边施加简支及铰弹簧约束,较好地模拟了壁板压缩失效过程。通过对比发现,压缩试验与仿真计算的失效模式均为壁板中部弯曲,对于开口附近位移结果光测试验和仿真计算误差小于6.3%。采用二维Hashin准则和最大应力准则分别评估了各铺层纤维损伤趋势和桁条塑性特征,并结合承力构件损伤程度分析了开口加筋壁板的压缩破坏机制。     

复合材料层合板屈曲优化设计的模拟退火算法应用

利用复合材料可设计性的特点对层合板结构进行优化设计具有重要意义。本文给出了一种基于模拟退火算法作为全局优化方法的复合材料层合板屈曲优化设计方法。以面内受压层合板的临界屈曲载荷最大化为目标函数,以层板各铺层方向角为离散设计变量,采用整数符号方法进行编码。对标准模拟退火算法进行改进,通过引入升温过程获得合适的初始温度,并在优化过程中记忆到当前所得到的最优值,避免概率接受方法造成的最优解丢失。编写了应用程序,对算例在不同载荷条件下进行了优化设计,并研究了模拟退火算法关键控制参数对优化结果的影响。结果表明,模拟退火算法可以应用于复合材料层板铺层顺序优化问题,且通过改进算法和控制关键参数可以有效提高算法收敛性能。     

基于压弯刚度匹配论则的复合材料加筋板结构优化设计

提出一种评估加筋板承载效率的量化方法,用于初步实现复合材料加筋板中加强筋布局与尺寸的优化.讨论了不同压缩与弯曲刚度的匹配模式对于复合材料加筋板临界失稳载荷的影响.将全局失稳载荷、局部失稳载荷与静载荷的接近程度作为评判结构承载效率的指标,构建了一种以压缩、弯曲刚度系数作为设计变量并反映结构效率的代理模型,避免了局部最优点的出现,更利于数值寻优.通过一种典型复合材料加筋板的有限元分析验证,发现压-弯刚度匹配模式与结构效率之间存在明显关系.优化后壁板的临界失稳载荷与所施加的静载荷基本一致,从而验证了基于承载效率以及结构总体刚度匹配关系的优化方法的可行性.     

基于等效刚度矩阵的复合材料机翼盒段优化设计

通过刚度矩阵转换,将复合材料层合板等效成正交各向异性材料板,并采用beam单元模拟加筋桁条。将机翼盒段的蒙皮厚度和加筋桁条面积作为设计变量,机翼盒段的质量作为目标函数,运用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化方法,对多变量、多约束条件下的大展弦比复合材料机翼进行结构优化设计。通过算例分析,机翼的复合材料结构质量下降了9.55%,优化时间较短。     

基于遗传算法的纤维增强复合材料层合板刚度设计方法

基于遗传算法,提出了一种带刚度要求的纤维增强复合材料层合板设计方法。以层合板的各层铺设角和厚度为设计变量、刚度为设计目标、制造工艺性为设计约束,将纤维增强复合材料层合板的刚度设计问题处理成一种离散的叠层顺序优化问题,采用遗传算法求出满足给定刚度要求的层合板设计。最后,通过算例验证了设计方法的有效性。     

复合材料层板弯曲问题优化设计

研究固定纤维指向，对称铺层复合材料层板在弯曲载荷作用下，以铺层厚度为设计变量，结构重量为目标函数，分别同时承受强度约束位移约束的约束的优化设计方法。     

任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲行为的解析解

给出了一种求解任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲问题的解析方法。首先将加筋板简化为受弹簧约束的层合板,而后通过构造位移函数,并利用伽辽金法得到了加筋板压缩、剪切和压剪载荷下的屈曲/后屈曲解析解。求解中引入了无量纲参数,使得结果更具一般性;在后屈曲行为中考虑了初始缺陷和由耦合刚度引起的前屈曲挠度,使得结果更加准确。通过与有限元结果的比较,讨论了几何参数、弹簧刚度等对解的影响。最后将该方法应用于T形加筋对称铺层复合材料加筋板的屈曲/后屈曲分析中,考虑T形筋对复合材料层板粘结区的刚度增强作用,采用刚度平均化方法引入增强效果,并与两种T形筋刚度简化模型以及有限元结果进行了比较,验证刚度平均化方法对计算加筋板屈曲/后屈曲行为的有效性。     

飞机结构多层次优化设计技术及COMPASS

主要介绍COMPASS的主要功能和关键技术。COMPASS作为一个多学科优化设计软件系统,分全机、翼面和壁板三个层次进行优化,综合满足气动、气弹、强度、刚度、振动稳定性和重量等要求。首先,利用最优准则法(满应力/应变法)处理强度约束获得全机结构的最佳尺寸,并提出了以分层厚度为设计变量、以应变能原理为基础的复合材料二级优化方法;其次,利用数学规划法对翼面结构进行满足刚度、振动、颤振和静弹等要求的多约束优化,并且能够对机翼进行气动弹性剪裁和载荷弹性修正;最后,对加筋壁板进行稳定性分析和优化设计,寻找满足稳定性要求的最佳型材类型和截面尺寸。大量工程应用表明,COMPASS方法准确、技术实用、设计效率高,是飞机结构概念设计和初步设计阶段非常有效的设计手段。     

基于NASTRAN的某复合材料机翼综合优化设计

基于NASTRAN软件,研究了在机翼打样设计阶段考虑颤振约束条件进行结构综合优化设计的方法.气动载荷采用亚音速偶极子格网法计算,颤振分析采用v-g法,优化中以最小质量为设计目标,设计变量为蒙皮铺层参数.对某复合材料后掠翼进行优化设计,设计结果满足静强度和刚度要求,颤振性能大幅度提高,对工程设计具有一定的参考作用.     

复合材料平尾加筋壁板剪切稳定性

针对某型支线客机复合材料平尾加筋壁板结构选型需求,采用p型有限元分析手段考察了不同筋条与蒙皮剖面面积比例对复合材料平尾加筋壁板承受面内剪切性能的影响,并采用试验测试对有限元预测结果进行验证。研究表明:p型有限元分析方法可以高效的完成复合材料平尾加筋壁板剪切稳定性分析,预测的结果较为准确,采用的分析方法可行、分析模型准确有效;复合材料平尾加筋壁板在剪切载荷作用下的典型破坏模式为蒙皮剪切失稳所导致的蒙皮和筋条界面分离;在筋条剖面面积/蒙皮剖面面积近似相同情况下,复合材料平尾加筋壁板的蒙皮截面积决定其承受剪切载荷的性能,但对其屈曲模态几乎没有影响。     

弯扭载荷作用变刚度复合材料圆柱壳的屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料圆柱壳将拥有比常刚度(直线纤维)圆柱壳更好的抗屈曲稳定性。为研究弯扭载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料圆柱壳屈曲性能的影响,建立了变刚度复合材料圆柱壳的参数化有限元模型,结合序列二次响应面方法和圆柱壳屈曲优化模型建立了复合材料圆柱壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;以准各向同性铺层复合材料圆柱壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。数值结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势。     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试，研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响，获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度，可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右，但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法，对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析，预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度，模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

基于遗传算法的含集中质量和弹性支撑复合材料层合板固有频率优化设计

运用遗传算法对含集中质量和弹性支撑的复合材料层合板进行了以自振频率最大化为目标的优化设计,采用了灵活的整数编码方式和改进后的收敛准则,同时考虑了集中质量和弹性支撑的位置优化问题以及铺层顺序优化问题.通过大量试验计算,对遗传算法中的运行参数进行了合理设置,达到了计算结果为全局最优解的概率高于0.95,并且计算量最少的目标.     

复合材料蜂窝夹层进气道结构优化设计方法

研究了一种以全局响应面算法为基础的复合材料蜂窝夹层结构进气道优化设计技术。该技术以复合材料蜂窝夹层进气道结构为研究对象,以结构重量最轻为目标,结合工程实际生产工艺和复合材料结构设计一般原则,使面板各方向角铺层厚度和蜂窝芯材厚度均选用离散变量,同时约束复合材料蜂窝夹层结构的各种失效模式以及进气道工作环境的频率需求。最后通过算例验证了此优化设计方法的可行性。     

复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。     

复合材料层合板的非同步固化翘曲变形分析

复合材料层合板在实际固化过程中因板内温度梯度的存在，各铺层内树脂的固化反应并非同步进行。这种非同步过程导致层合板内固化后残余应务的分布不同于经典分析方法的计算结果，使按对称铺层设计的层合板亦存在固化后翘变形。针对实际固化过程的非同步特征，文中给出一种基于弹性子叠层块的非同步固化过程描述模型，用此模型对非同步固化过程引起的对称层合板翘曲变形进行计算机模拟，分析树脂固化收缩率，固化过程中板内温度梯度，     

复合材料帽型加筋壁板轴压稳定性研究

本文的主要目的是研究复合材料加筋壁板的失效模式与屈曲稳定性。根据真实飞机结构,采用了帽型加筋壁板试验件构型。在本文中,通过试验方法来研究帽型加筋壁板的稳定性,分析了壁板端部设计与端部加载夹具等因素。同时,提出了一种计算帽型加筋壁板的屈曲载荷的工程方法。计算结果与试验数据吻合的非常好。     

基于Voronoi序列采样的加筋壁板优化设计

为提高加筋壁板结构轻质优化效率,提出一种基于Voronoi序列采样的加筋壁板优化设计方法.建立了该结构的参数化模型,分析了加筋壁板蒙皮与桁条腹板的网格规模对结构承载能力及失稳模式的影响规律,并依据桁条腹板高厚比进行了网格划分,进而平衡后屈曲分析精度与效率;然后,提出了基于探索策略和开发策略的序列近似优化方法,其中Vor...